ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ АКТИВНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ

Электродуговые источники плазмы

За последние два десятилетия в вакуумных ионно-плазменных (ВИП) технологиях широкое распространение получил метод электродугового нанесения покрытий, позволяющий достигать высокого уровня эксплуатационных свойств покрытия за счет использования первичной энергии плазменного потока [18, 39, 47]. Российские машиностроительные заводы и исследовательские институты оснащены в основном серийными установками вакуумного электродугового нанесения покрытий типа ННВ-6.6.И1 (и их модификациями), разработанными в начале 1980-х гг. На этих установках применяются вакуумные дуговые источники металлической плазмы (испарители) с интегрально «холодным» испаряемым катодом [23]. Поскольку дуговой разряд с таким катодом горит исключительно в парах материала катода, то этот процесс может протекать при сколь угодно низком давлении остаточных газов в вакуумной камере.

Под термином «холодный катод» подразумевают, что температура рабочей поверхности катода недостаточна для термоэмиссии электронов. Генерация рабочего вещества в этом разряде осуществляется из «горячих» хаотически перемещающихся по рабочей поверхности катода катодных пятен. Катодные пятна состоят из группы нескольких микропятен, в которых плотность тока достигает 109— 1012 А/м2, а плотность мощности 1010—1013 Вт/м2. При столь высоких плотностях мощности в пятнах протекают процессы взрывной термоавтоэмиссии электронов, испарения и ионизации материала катода.

Основной токоперенос между катодом и анодом дугового разряда осуществляется электронами — около 90 %, а предельный (полный) ионный ток составляет 0,1 тока дугового разряда.

Генерация материала из катодных пятен производится в виде плазменного потока — ионов и электронов, микрокапель- ной фракции и незначительного количества пара. В зависимости от материала катода степень ионизации пароплазменного потока может превышать 80 %. Средняя энергия ионов материала катода, генерируемых катодными микропятнами для различных материалов, составляет 15—100 эВ.

Чрезвычайно высокая плотность мощности в катодных пятнах развивает в них высокую температуру [2, 25]. По некоторым оценкам, она достигает 5000—6000 К, поэтому вакуумный дуговой разряд способен генерировать высокоионизиро- ванные потоки плазмы различных электропроводных материалов, в том числе самых тугоплавких, включая вольфрам, молибден, графит. Важным достоинством вакуумного дугового разряда является практически полное воспроизведение химического состава испаряемого материала катода в наносимом покрытии, что позволяет наносить из одного катода покрытия сложного многокомпонентного состава. Благодаря высокой ионизации плазменных потоков материала катода можно управлять направлением их движения, плотностью и энергией ионов при помощи электрических и магнитных полей. Это открывает широкие возможности по регулированию условий осаждения покрытий. При напуске в вакуумную камеру плазменного потока его высокие активность и энергия способствуют протеканию с реактивными газами (азот, кислород, углерод и др.) процессов плазмохимических реакций с осаждением покрытий сложных соединений — нитридов, карбидов, карбо- нитридов, оксидов и др.

Дуговой разряд позволяет производить очистку, активацию и нагрев обрабатываемой поверхности подложки бомбардировкой ионами осаждаемого материала перед нанесением покрытий в условиях высокого вакуума [38]. Предварительная ионная бомбардировка обеспечивает очистку поверхности за счет распыления загрязнений и дефектных приповерхностных слоев. В результате этого происходит «залечивание» приповерхностных дефектов подложки, что обеспечивает взаимную диффузию при последующих процессах нанесения покрытий.

Все это наряду с нагревом подложки при ионной бомбардировке дает возможность получать покрытия с высокой адгезией.

Особенностью и основным недостатком вакуумного дугового разряда является наличие в плазменном потоке микрокапельной фракции материала катода. Характерный диапазон размеров капель для различных материалов составляет 0,1 —20 мкм. Число капель и их характерный размер зависят от теплофизических свойств материала катода — теплопроводности, температуры плавления. Известно: чем выше температура плавления материала и его теплопроводность, тем меньше характерный размер микрокапель и их число в генерируемом плазменном потоке.

Выход микрокапельной фракции зависит от теплового режима работы катода и скорости движения катодных пятен по его рабочей поверхности (при прочих равных условиях). Более высокой температуре рабочей поверхности катода соответствуют более обширный тепловой след катодного пятна и более интенсивный выход микрокапельной фракции. Повышение тока дуги также приводит к увеличению капельной фракции. Рост скорости движения катодных пятен способствует уменьшению капельной фракции вследствие сокращения времени воздействия катодного пятна на локальную область поверхности катода и, следовательно, уменьшению площади катодного следа. Наличие микрокапельной фракции в плазменном потоке нарушает однородность наносимых покрытий и ухудшает их служебные характеристики.

При своем движении катодные пятна стремятся в область максимального тангенциального (параллельного поверхности катода) магнитного поля (принцип максимума магнитного поля, сформулированный И.Г. Кесаевым) [24]. При отсутствии внешнего магнитного поля движение катодных пятен по поверхности катода либо хаотичное, либо его направление совпадает с направлением вектора тока разряда, протекающего по телу катода, так как этот ток создает «собственное» магнитное поле, которое, складываясь с магнитным полем тока, протекающего через катодное пятно и прилежащую к нему плазменную область, создает градиент суммарного магнитного поля в направлении токоподвода катода [40, 51]. При наложении внешнего магнитного поля, превосходящего по величине «собственное» поле разряда, катодные пятна перемещаются преимущественно в область его максимальной тангенциальной составляющей и при этом скорость движения пятен значительно возрастает. Обычно принцип максимума магнитного поля в конструкциях дуговых испарителей используется для стабилизации (удержания) катодных пятен на рабочей поверхности катода. Этот принцип используется в серийных дуговых испарителях ВИП-установок.

При работе электродуговых испарителей формируется плазменный поток, состоящий из ионов, электронов, микро- и макрочастиц, нейтральных атомов. Равномерность и плотность плазменного потока, наличие или отсутствие капельной фракции, начальная энергия ионов — основные параметры, характеризующие эффективность работы испарителя. Формирование плазменного потока, его равномерность и плотность зависят от характера движения катодного пятна [ 1, 15].

Рассмотрим работу испарителей серийных установок, изготовленных из монолитных и порошковых композиционных материалов.

Общий вид дугового вакуумного испарителя серийной вакуумной установки

Рис. 1.1. Общий вид дугового вакуумного испарителя серийной вакуумной установки

Электродуговые испарители ВИП-установок (рис. 1.1), разработанные более 25 лет назад, хорошо зарекомендовали себя в промышленности. Устройство довольно надежно в работе и удобно в эксплуатации. Однако данная конструкция испарителя не отвечает ряду современных требований; она имеет два основных функциональных недостатка — большой выход капельной фракции в рабочий объем камеры и нестабильное формирование плазменного потока. Капельная фракция приводит к снижению качества наносимых покрытий, а неоднородность во времени характеристик плазменного потока вызывает нестабильность свойств получаемых покрытий [28, 46].

Наличие множества микрокапель в плазменном потоке объясняется двумя причинами — недостаточным охлаждением торцевой рабочей поверхности катода и относительно невысокой скоростью движения катодных пятен по торцевой поверхности катода. Значительная толщина катода (45 мм) не позволяет эффективно охлаждать его торцевую поверхность за счет низкой теплопроводности, из-за чего эта поверхность нагревается до температур более 360 °С. Такое повышение температуры рабочей поверхности приводит к увеличению объемов расплавленной ванны материала катода под катодным пятном (теплового следа катодного пятна), что обусловливает высокий выход капельной фракции материала катода.

Как отмечалось выше, скорость движения катодных пятен зависит от тангенциальной составляющей внешнего магнитного поля. На торцевой рабочей поверхности катода эта составляющая отсутствует, а присутствующая нормальная составляющая практически не повышает скорость движения катодных пятен и их движение на этой поверхности протекает хаотично с низкой скоростью. Вследствие этого увеличивается объем расплавленной ванны (катодного следа) на поверхности катода за счет длительного теплового воздействия в данной области, что вызывает возрастание выхода капельной фракции материала катода.

При хаотическом движении катодных пятен по торцевой рабочей поверхности катода появляется значительная вероятность их сбега на нерабочую боковую коническую поверхность. Как показала практика, суммарное время нахождения катодных пятен на боковой поверхности может составлять от 10 до 20 % времени работы испарителя. Если катодные пятна находятся на боковой поверхности, увеличиваются потери материала катода за счет нанесения материала на корпус плаз- моввода, который является анодом, при этом изменяются форма и состав плазменного потока, выходящего в рабочий объем камеры. Такое изменение характеристик плазменного потока определяет нестабильность технологического процесса нанесения покрытий и их качества.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >